Проводимости
Комплексной проводимостью называется отношение комплексного тока к комплексному напряжению
где
y=1/z
-
величина обратная полному сопротивлению, называется
полной проводимостью
.
Комплексная проводимость и комплексное сопротивление взаимно обратны. Комплексную проводимость можно представить в виде
где - действительная часть комплексной проводимости, называется активной проводимостью ; - значение мнимой части комп-лексной проводимости, называется реактивной проводимостью ;
Из () и ( 3.29) следует, что для схемы, представленной на рис. 3.12 , комплексная проводимость
где
и называются соответственно
активной, индуктивной и емкостной проводимостями
.
Реактивная проводимость
Индуктивная
и емкостная
проводимости - арифметические величины, а реактивная проводимость b - алгебраическая величина
и может быть как больше, так и меньше нуля. Реактивная проводимость
b
ветви, содержащей только индуктивность, равна индуктивной проводимости
, а реактивная проводимость
b
ветви, содержащей только емкость, равна емкостной проводимости с обратным знаком, т. е.
.
Сдвиг по фазе между напряжением и током зависит от соотношения индуктивной и емкостной проводимостей. Для схемы по на рис. 3.14 представлены векторные диаграммы для трех случаев, а именно
При построении этих диаграмм начальная фаза напряжения принята равной нулю, поэтому
, как это следует из ( 3.28), равны и противоположны по знаку ().
Рассматривая схему на рис. 3.12 в целом как пассивный двухполюсник, можно заметить, что при заданной частоте она эквивалентна в первом случае параллельному соединению сопротивления и индуктивности, во втором - сопротивлению и в третьем - параллельному соединению сопротивления и емкости. Второй случай называется резонансом. При заданных
L
и
С
соотношение между
зависит от частоты, а поэтому от частоты зависит и вид эквивалентной схемы.
Обратим внимание на то, что в схеме рис. 3.12 каждая из параллельных ветвей содержит по одному элементу. Поэтому получилось такое простое выражение для У, в которое проводимости элементов входят как отдельные слагаемые.
Заметим, что обозначения
применяются не только для сопротивлений и проводимостей, но и для элементов схемы, характеризуемых этими величинами. В таких случаях элементам схемы дают те же самые наименования, какие присвоены величинам, которые обозначаются этими буквами. Комплексные сопротивления или проводимости как элементы схемы имеют условное обозначение в виде прямоугольника (см. рис. 3.1). Точно так же обозначают реактивные сопротивления или проводимости, если хотят отметить, что они могут быть как индуктивными, так и емкостными сопротивлениями или проводимостями.
На рис. 14.14, а параллельно соединены те же элементы цепи, которые были рассмотрены (см. рис. 14.7, а). Предположим, что для этой цепи известны напряжение u = U m sinωt . и параметры элементов цепи R, L, С. Требуется найти токи в цепи и мощность.
Векторная диаграмма для цепи с параллельным соединением ветвей. Метод векторных диаграмм
Для мгновенных величин в соответствии с первым законом Кирхгофа уравнение токов
Представляя ток в каждой ветви суммой активной и реактивной составляющих, получим
Для действующих токов нужно написать векторное уравнение
Численные значения векторов токов определяются произведением напряжения и проводимости соответствующей ветви.
На рис. 14.14, б построена векторная диаграмма, соответствующая этому уравнению. За исходный вектор принят, как обычно при расчете цепей с параллельным соединением ветвей, вектор напряжения U, а затем нанесены векторы тока в каждой ветви, причем направления их относительно вектора напряжения выбраны в соответствии с характером проводимости ветвей. Начальной точкой при построении диаграммы токов выбрана точка, совпадающая с началом вектора напряжения. Из этой точки проведен вектор l 1a активного тока ветви I (по фазе совпадает c напряжением), а из конца его проведен вектор I 1p реактивного тока той же ветви (опережает напряжение на 90°). Эти два вектора являются составляющими вектора I 1 тока первой ветви . Далее в том же порядке отложены векторы токов других ветвей. Следует обратить внимание на то, что проводимость ветви 3-3 активная , поэтому реактивная составляющая тока в этой ветви равна нулю. В ветвях 4-4 и 5-5 проводимости реактивные , поэтому в составе этих токов нет активных составляющих.
Расчетные формулы для цепи с параллельным соединением ветвей. Метод векторных диаграмм
Из векторной диаграммы видно, что все активные составляющие векторов тока направлены одинаково - параллельно вектору напряжения, поэтому векторное сложение их можно заменить арифметическими найти активную составляющую общего тока: I а = I 1a + I 2a + I 3a .
Реактивные составляющие векторов токов перпендикулярны вектору напряжения, причем индуктивные токи направлены в одну сторону, а емкостные - в другую. Поэтому реактивная составляющая общего тока в цепи определяется их алгебраической суммой, в которой индуктивные токи считаются положительными, а емкостные - отрицательными: I p = — I 1p + I 2p — I 4p + I 5p .
Векторы активного, реактивного и полного тока всей цепи образуют прямоугольный треугольник, из которого следует
Следует обратить внимание на возможные ошибки при определении полной проводимости цепи по известным проводимостям отдельных ветвей: нельзя складывать арифметически проводимости ветвей, если токи в них не совпадают по фазе.
Полную проводимость цепи в общем случае определяют как гипотенузу прямоугольного треугольника, катетами которого являются выраженные в определенном масштабе активная и реактивная проводимости всей цепи:
От треугольника токов можно перейти также к треугольнику мощностей и для определения мощности получить известные уже формулы
Активную мощность цепи можно представить как арифметическую сумму активных мощностей ветвей.
Реактивная мощность цепи равна алгебраической сумме мощностей ветвей. В этом случае индуктивная мощность берется положительной, а емкостная - отрицательной:
Расчет цепи без определения проводимостей ветвей
Расчет электрической цепи при параллельном соединении ветвей можно выполнить без предварительного определения активных и реактивных проводимостей , т. е. представляя элементы цепи в схеме замещения их активными и реактивными сопротивлениями (рис. 14.15, а).
Определяют токи в ветвях по формуле (14.4);
где Z 1 , Z 2 и т. д. - полные сопротивления ветвей.
Полное сопротивление ветви, в которую входят несколько элементов, соединенных последовательно, определяют по формуле (14.5).
Для построения векторной диаграммы токов (рис. 14.15, б) можно определить активную и реактивную составляющие тока каждой ветви по формулам
и т. д. для всех ветвей.
В этом случае отпадает необходимость определения углов ф 1 ф 2 и построения их на чертеже.
Ток в неразветвленной части цепи
. Конденсатор (идеальная емкость)
Аналогичный
характер имеют процессы и для идеальной
емкости. Здесь
.
Поэтому из (3) вытекает, что
.
Таким образом, в катушке индуктивности
и конденсаторе активная мощность не
потребляется (Р=0), так как в них не
происходит необратимого преобразования
энергии в другие виды энергии. Здесь
происходит только циркуляция энергии:
электрическая энергия запасается в
магнитном поле катушки или электрическом
поле конденсатора на протяжении четверти
периода, а на протяжении следующей
четверти периода энергия вновь
возвращается в сеть. В силу этого катушку
индуктивности и конденсатор называют
реактивными элементами, а их сопротивления
Х L
и Х С, в отличие от активного сопротивления
R резистора, – реактивными.
Интенсивность обмена энергии принято характеризовать наибольшим значением скорости поступления энергии в магнитное поле катушки или электрическое поле конденсатора, которое называется реактивной мощностью .
В общем случае выражение для реактивной мощности имеет вид:
Она положительна при отстающем токе (индуктивная нагрузка- ) и отрицательна при опережающем токе (емкостная нагрузка-). Единицу мощности в применении к измерению реактивной мощности называютвольт-ампер реактивный (ВАр).
В частности для
катушки индуктивности имеем:
,
так как.
.
Из последнего видно, что реактивная мощность для идеальной катушки индуктивности пропорциональна частоте и максимальному запасу энергии в катушке. Аналогично можно получить для идеального конденсатора:
.
Резистор (идеальное активное сопротивление).
Здесь напряжение и ток (см. рис. 2) совпадают по фазе , поэтому мощностьвсегда положительна, т.е. резистор потребляет активную мощность
25. Активная, реактивная и полная проводимость цепи.
При параллельном
соединении элементов R
,
L
,
C
(рис. 1) полная проводимость равна
(1)
где g = 1/ R – активная проводимость цепи;
b – реактивная проводимость цепи.
Реактивная
проводимость цепи при этом определяется
выражением
(2)
Ток в цепи определяется выражением
(3)
Ток в активной проводимости совпадает с напряжением по фазе
(4)
Ток в ёмкости определяет напряжение по фазе на 90 0
(5)
Ток в индуктивности отстаёт от напряжения по фазе на 90 0
(6)
Средняя активность мощность, расходуемая в цепи
(7)
Сдвиг фаз между напряжением U на зажимах цепи и током I в ней определяется выражениями
(8)
(9)
26. Переходные процессы в линейных электрических цепях. Основные понятия, законы коммуникации.
При всех изменениях в электрической цепи: включении, выключении, коротком замыкании, колебаниях величины какого-либо параметра и т.п. – в ней возникают переходные процессы, которые не могут протекать мгновенно, так как невозможно мгновенное изменение энергии, запасенной в электромагнитном поле цепи. Таким образом, переходный процесс обусловлен несоответствием величины запасенной энергии в магнитном поле катушки и электрическом поле конденсатора ее значению для нового состояния цепи.При переходных процессах могут возникать большие перенапряжения, сверхтоки, электромагнитные колебания, которые могут нарушить работу устройства вплоть до выхода его из строя. С другой стороны, переходные процессы находят полезное практическое применение, например, в различного рода электронных генераторах. Все это обусловливает необходимость изучения методов анализа нестационарных режимов работы цепи.
Основные методы анализа переходных процессов в линейных цепях:
Классический метод, заключающийся в непосредственном интегрировании дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное состояние цепи.
Операторный метод, заключающийся в решении системы алгебраических уравнений относительно изображений искомых переменных с последующим переходом от найденных изображений к оригиналам.
Частотный метод, основанный на преобразовании Фурье и находящий широкое применение при решении задач синтеза.
Метод расчета с помощью интеграла Дюамеля, используемый при сложной форме кривой возмущающего воздействия.
Метод переменных состояния, представляющий собой упорядоченный способ определения электромагнитного состояния цепи на основе решения системы дифференциальных уравнений первого прядка, записанных в нормальной форме (форме Коши).
Законы коммутации
|
Название закона |
Формулировка закона |
|
Первый закон коммутации (закон сохранения потокосцепления) |
Магнитный
поток, сцепленный с катушками
индуктивности контура, в момент
коммутации сохраняет то значение,
которое имел до коммутации, и начинает
изменяться именно с этого значения:
|
|
Второй закон коммутации (закон сохранения заряда) |
Электрический
заряд на конденсаторах, присоединенных
к любому узлу, в момент коммутации
сохраняет то значение, которое имел
до коммутации, и начинает изменяться
именно с этого значения:
|
.
.Доказать законы
коммутации можно от противного: если
допустить обратное, то получаются
бесконечно большие значения
и
,
что приводит к нарушению законов
Кирхгофа.
На практике, за исключением особых случаев (некорректные коммутации), допустимо использование указанных законов в другой формулировке, а именно:
первый закон коммутации – в ветви с катушкой индуктивности ток в момент
.
второй закон коммутации – напряжение на конденсаторе в момент
коммутации сохраняет
свое докоммутационное значение и в
дальнейшем начинает изменяться с него:
.
Необходимо подчеркнуть, что более общей формулировкой законов коммутации является положение о невозможности скачкообразного изменения в момент коммутации для схем с катушкой индуктивности – потокосцеплений, а для схем с конденсаторами – зарядов на них. В качестве иллюстрации сказанному могут служить схемы на рис. 2, переходные процессы в которых относятся к так называемым некорректным коммутациям (название произошло от пренебрежения в подобных схемах малыми параметрами, корректный учет которых может привести к существенному усложнению задачи).
Действительно,
при переводе в схеме на рис. 2,а ключа из
положения 1 в положение 2 трактование
второго закона коммутации как
невозможность
скачкообразного изменения напряжения на конденсаторе
приводит к невыполнению второго закона
Кирхгофа
.
Аналогично при размыкании ключа в схеме
на рис. 2,б трактование первого закона
коммутации как невозможность
скачкообразного изменения тока через
катушку индуктивности приводит к
невыполнению первого закона Кирхгофа
.
Для данных схем, исходя из сохранения
заряда и соответственно потокосцепления,
можно записать:
Зависимыми начальными условиями называются значения остальных токов и напряжений, а также производных от искомой функции в момент коммутации, определяемые по независимым начальным условиям при помощи уравнений, составляемых по законам Кирхгофа для . Необходимое число начальных условий равно числу постоянных интегрирования. Поскольку уравнение вида (2) рационально записывать для переменной, начальное значение которой относится к независимым начальным условиям, задача нахождения начальных условий обычно сводится к нахождению значений этой переменной и ее производных до (n-1) порядка включительно при.
Проводимости
Комплексной проводимостью называется отношение комплексного тока к комплексному напряжению
где y=1/z - величина обратная полному сопротивлению, называется полной проводимостью.
Комплексная проводимость и комплексное сопротивление взаимно обратны. Комплексную проводимость можно представить в виде
где - действительная часть комплексной проводимости, называется активной проводимостью; - значение мнимой части комп-лексной проводимости, называется реактивной проводимостью;
Из (3.30) и ( 3.29) следует, что для схемы, представленной на рис. 3.12 , комплексная проводимость
и называются соответственно активной, индуктивной и емкостной проводимостями.
Реактивная проводимость
Индуктивная и емкостная проводимости - арифметические величины, а реактивная проводимость b - алгебраическая величина и может быть как больше, так и меньше нуля. Реактивная проводимость b ветви, содержащей только индуктивность, равна индуктивной проводимости , а реактивная проводимость b ветви, содержащей только емкость, равна емкостной проводимости с обратным знаком, т. е. .
Сдвиг по фазе между напряжением и током зависит от соотношения индуктивной и емкостной проводимостей. Для схемы по рис. 3.12 на рис. 3.14 представлены векторные диаграммы для трех случаев, а именно При построении этих диаграмм начальная фаза напряжения принята равной нулю, поэтому , как это следует из ( 3.28), равны и противоположны по знаку ().
Рассматривая схему на рис. 3.12 в целом как пассивный двухполюсник, можно заметить, что при заданной частоте она эквивалентна в первом случае параллельному соединению сопротивления и индуктивности, во втором - сопротивлению и в третьем - параллельному соединению сопротивления и емкости. Второй случай называется резонансом. При заданных L и С соотношение между зависит от частоты, а поэтому от частоты зависит и вид эквивалентной схемы.
Обратим внимание на то, что в схеме рис. 3.12 каждая из параллельных ветвей содержит по одному элементу. Поэтому получилось такое простое выражение для У, в которое проводимости элементов входят как отдельные слагаемые.
Заметим, что обозначения применяются не только для сопротивлений и проводимостей, но и для элементов схемы, характеризуемых этими величинами. В таких случаях элементам схемы дают те же самые наименования, какие присвоены величинам, которые обозначаются этими буквами. Комплексные сопротивления или проводимости как элементы схемы имеют условное обозначение в виде прямоугольника (см. рис. 3.1). Точно так же обозначают реактивные сопротивления или проводимости, если хотят отметить, что они могут быть как индуктивными, так и емкостными сопротивлениями или проводимостями.
Рассмотрим известное выражение для полной комплексной мощности
Таким образом, использование понятия о сопряженном комплексе тока позволяет реализовать аргумент полной комплексной мощности в виде разности фаз между синусоидами напряжения и тока (), а также установить корректную математическую связь между полной комплексной мощностью и ее составляющими (). Проведем преобразование с сопряженными комплексами. В соответствии с (13) получим
В таком случае будем иметь
Учтем, что
То есть для любого параметра произведение комплекса на сопряженный комплекс равно квадрату его модуля.
В соответствии с (27), (28) и (8) рассмотрим полную комплексную мощность
Треугольники мощностей, соответствующие выражению (29), приведены на рис. 9, 10, 11, которые иллюстрируют случаи:
– если , в этом случае , (рис. 9). Т. е. реактивная мощность всей цепи является положительной величиной и во внешней цепи происходит обмен циркулирующей энергией исключительно между магнитным полем L -элемента и источником питания, а перезаряд С -элемента полностью осуществляется за счёт энергии магнитного поля L - элемента;
– если , в этом случае , (рис. 10). Т. е. реактивная мощность всей цепи является отрицательной величиной и во внешней цепи происходит обмен циркулирующей энергией исключительно между электрическим полем С -элемента и источником питания. Энергия в магнитное поле L -элемента полностью поступает при разряде С -элемента;
– наконец, если , в этом случае , а (рис. 11). Т. е. обмена энергией между источником питания и цепью не происходит. Вся энергия, поступающая от источника, безвозвратно потребляется цепью. При этом полная мощность на зажимах цепи чисто активная. Внутри цепи происходит циркулирующий обмен энергией одинаковой интенсивности между полями L , C -элементов.
Расчёт параметров режима работы цепи, построение векторной диаграммы, треугольников проводимостей и мощностей можно провести, не прибегая к комплексным числам. Расчёт проводят в действующих значениях параметров режима и в модулях параметров цепи. При этом возможны две методики расчёта:
· с использованием понятия об активной и реактивной составляющих тока в каждой ветви;
· с использованием понятия о полной проводимости цепи, ветви и составляющих этих проводимостей.
По первой методике, по известным параметрам цепи определяют полные сопротивления ветвей
Затем определяют полные токи в каждой ветви и составляющие этих токов
После чего определяют полный (входной) ток цепи
и его фазовый угол
Рассчитывают мощности на ветвях
мощности на всей схеме
Используя полученные результаты, определяют проводимости ветвей и всей схемы
Наконец, по полученным результатам с учётом знаков φ 1 , φ 2 и φ строят векторные диаграммы токов, проводимостей и мощностей.
По второй методике, по известным параметрам цепи определяют проводимости ветвей и их фазовые углы
Затем определяют полную проводимость цепи и ее фазовый угол
После чего рассчитывают токи в ветвях и входной ток
Определяют мощности ветвей и всей цепи
И, наконец, зная величину и их знаки, строят векторные диаграммы токов, проводимостей и мощностей.
Иного характера расчёты проводят, если известны некоторые параметры режима работы цепи, и требуется определить параметры схемы замещения и построить векторную диаграмму. Такие расчёты проводят после экспериментального исследования схемы.
Например, дана схема замещения цепи (рис. 12). Путём эксперимента измерили следующие параметры режима работы этой цепи: P – активную мощность всей цепи; U – напряжение на зажимах цепи; I – входной ток; I 1 и I 2 – токи ветвей; угол сдвига фаз между синусоидами напряжения и тока (с учетом его знака). Необходимо определить параметры схемы и построить векторную диаграмму. Проводят следующие расчёты:
1. Определяют эквивалентные параметры всей цепи (знак общей реактивной проводимости и общего реактивного сопротивления определяется знаком измеренного угла )
2. Определяют эквивалентные параметры каждой ветви
3. Определяют параметры элементов ветвей схемы
4. Рассчитывают остальные параметры режима работы схемы
5. Строят векторные диаграммы токов, проводимостей, мощностей.
В данной цепи, как и в цепи с последовательным соединением R , L , C- элементов, возможен резонансный режим, который носит название резонанса токов . При резонансе токов в цепи, содержащей L и С- элементы, включённые в параллельные ветви, синусоиды входного тока I и напряжения , приложенного к зажимам цепи, совпадают по фазе, т. е. . Особенности этого режима уже рассмотрены (рис. 4, 8, 11). Определим резонансную частоту в цепи (рис. 1). Если для резонанса токов то в соответствии с (11)
Выражение (34) определяет условие резонанса токов для конкретной цепи. Если катушка индуктивности и конденсатор включены в параллельные ветви, то модули реактивных проводимостей ветвей должны быть равны.
Подставив эти выражения в (34) и решив уравнение относительно , получим
Выражение (35) показывает, что резонансная частота определяется величиной четырёх параметров цепи L , C , R 1 , R 2 . Поэтому резонансного режима можно добиться, варьируя каждый из указанных параметров.
Проанализируем зависимости параметров контура и параметров режима его работы от изменения C на примере схемы рис. 12. Считаем, что величина ёмкости С изменяется от 0 до , а цепь подключена к идеальному источнику синусоидальной ЭДС.
Загрузка...
